Zakład Magnetyzmu, Instytut Geofizyki Polskiej Akademii Nauk Magnetism Department, Institute of Geophysics of Polish Academy of Science

Transkrypt

1 Przegląd Naukowy Inżynieria i Kształtowanie Środowiska nr 64, 214: (Prz. Nauk. Inż. Kszt. Środ. 64, 214) Scientific Review Engineering and Environmental Sciences No 64, 214: (Sci. Rev. Eng. Env. Sci. 64, 214) Sylwia K. DYTŁOW, Beata GÓRKA-KOSTRUBIEC Zakład Magnetyzmu, Instytut Geofizyki Polskiej Akademii Nauk Magnetism Department, Institute of Geophysics of Polish Academy of Science Parametry magnetyczne jako wskaźnik procesów zachodzących w czarnoziemie zdegradowanym uformowanym na miechowskim płacie lessowym Magnetic parameters as an indicator of the processes occurring in the degraded chernozem developed in loess from Miechow area Słowa kluczowe: magnetyzm środowiskowy, podatność magnetyczna, parametry glebowe, gleby Key words: environmental magnetism, magnetic susceptibility, soil parameters, soils Wprowadzenie Magnetometria jest stosowana w magnetyzmie środowiskowym do badań zanieczyszczeń gleb (Jeleńska i inni 24, 28a; Magiera, Strzyszcz, Kapička i Petrowský 26, Magiera, Strzyszcz i Rachwał, 27, Magiera i Zawadzki, 27), powietrza (Muxworthy, Schmidbauer i Petersen, 22, Muxworthy, Matzka, Davila i Petersen, 23, Sagnotti, Marcri, Egli i Mondino, 26, Górka-Kostrubiec, Król i Jeleńska, 212, Petrovský i inni, 213) oraz charakterystyki paleogleb (Maher i Thompson, 1999, Liu i inni, 25, Lu, Chen, Wang i Liu, 212). Magnetometria glebowa (Evans i Heller, 23, Thompson i Oldfield, 1986) wykorzystuje własności magnetyczne gleb do badania procesów glebotwórczych pedogenezy (Jordanova, Petrovský, Jordanova, Evlogiev i Butchvarova 1997, Maher, Alekseev i Alekseeva 23, Jeleńska i inni, 28b, Jordanova, Jordanova, Petrov i Tsacheva, 21, Orgeira, Egli i Compagnucci, 211) oraz czynników antropogenicznych wpływających na zmiany w środowisku naturalnym (Jeleńska i inni, 24, 28a, Jordanova, Jordanova i Tsacheva, 28b). Własności magnetyczne gleb zależą zarówno od pierwotnych właściwości litogenicznych podłoża, jak i od procesów pedogenicznych kształtujących gleby oraz czynników antropogenicznych, np. depozycji zanieczyszczeń komunikacyj- 17 S.K. Dytłow, B. Górka-Kostrubiec

2 nych i przemysłowo-miejskich oraz sposobu użytkowania gleby. Pierwsze badania gleb (Maher, 1986) przy użyciu metody magnetycznej były prowadzone dla gleb kwaśnych brunatnych, glejowych i polegały na wyznaczeniu wpływu procesów oglejenia i bielicowania na parametry magnetyczne. Maher (1998) i Maher i inni (23) wyznaczyli zależność podatności magnetycznej powierzchniowej warstwy gleby od czynników klimatycznych, tj. temperatura i wilgotność, oraz czynników glebowych: zakwaszenia, drenażu i bilansu wodnego. Badania te były prowadzone dla czarnoziemów z Ukrainy i Rosji oraz paleogleb powstałych na chińskich lessach (Maher i Thompson, 1994, 1995, Maher, Thompson i Zhou, 1994, Thompson i Maher, 1995, Liu i inni, 24, 25). Praca Hanesch i Schloger (25) pokazała wpływ skały macierzystej, na której powstała gleba, na rodzaj i dystrybucję cząstek magnetycznych z głębokością profilu. Na podstawie badań własności magnetycznych gleb z terenu Bułgarii (Jordanova i inni, 28a, Jordanova, Grygar, Jordanova i Petrov, 211) wiadomo, że na wielkość ziaren magnetycznych w obrębie profilu mają wpływ cechy teksturalne gleby (uziarnienie) oraz zawartość materii organicznej, ilość humusu i odczyn gleby. Na właściwości gleb wpływają czynniki przyrodnicze, do których zalicza się: rodzaj skały macierzystej, na której formowała się gleba, uwarunkowania związane z położeniem geograficznym, ukształtowanie terenu oraz czynniki klimatyczne, tj. wielkość opadów, temperatura, szata roślinna (Jenny, 1941, Fanning i Fanning, 1989, Maher i inni, 23, Orgeira i inni, 211). Żelazo jest pierwiastkiem powszechnie występującym zarówno w glebach, jak i skałach macierzystych gleb. Tlenki żelaza nadają glebie charakterystyczną barwę oraz są cechą diagnostyczną do wyznaczania poziomów genetycznych i kierunku przemian zachodzących w glebie (Cornell i Schwertmann, 23). Ilość i dystrybucja tlenków, wodorotlenków i siarczków żelaza w glebie jest wskaźnikiem intensywności procesu glebotwórczego. Z podstawowymi procesami glebotwórczymi, tj. bielicowanie, brunatnienie, rdzawienie, oglejenie, związane są nagromadzenie i migracja wolnych tlenków żelaza. Przemieszczanie się tlenków żelaza (mobilność) w glebach zależy od obecności kwasów humusowych. Tlenki, wodorotlenki i siarczki żelaza mają właściwości ferroi ferrimagnetyczne. Pomiar właściwości magnetycznych pozwala śledzić koncentrację, rozkład i rodzaj minerałów żelaza w profilu glebowym. Metody stosowane w magnetyzmie środowiska (np. magnetometria glebowa) opierają się na pomiarach zestawu parametrów magnetycznych, które określają koncentrację cząstek magnetycznych (tlenków, wodorotlenków i siarczków żelaza) oraz pozwalają stwierdzić ich rodzaj, stan domenowy i wielkość ziaren magnetycznych (Maher, 1986, Jeleńska i inni, 28a, Jeleńska i inni, 28b). Magnetometria glebowa jest narzędziem, które pozwala wychwycić subtelne zmiany w glebie oraz wskazać różnice i podobieństwa między poziomami genetycznymi. Magnetyczna charakterystyka gleb polega na wyznaczeniu podstawowych parametrów magnetycznych odzwierciedlających cechy poszczególnych Parametry magnetyczne jako wskaźnik procesów

3 poziomów glebowych. Podatność magnetyczna (χ) jest parametrem proporcjonalnym do koncentracji cząstek magnetycznych (związków żelaza) obecnych w glebie. Zależność podatności od częstotliwości (χ fd% ) wskazuje na obecność w glebie ziaren superparamagnetycznych (SP) powstających w procesie pedogenezy. Zmiany tego parametru wraz ze wzrostem głębokości pozwalają na wskazanie granicznej głębokości między poziomami genetycznymi a skałą macierzystą. Bezhisterezowa podatność magnetyczna (χ ARM ) jest proporcjonalna do koncentracji cząstek magnetycznych oraz jest wskaźnikiem jednodomenowych ziaren magnetycznych (SD). Parametry histerezy, do których zalicza się: namagnesowanie nasycenia (M s ), remanencję nasycenia (M rs ), pole koercji (H c ) oraz koercję remanencji (H cr ), pozwalają określić strukturę magnetyczną minerałów (wielkość cząstek i rodzaj domen magnetycznych). Identyfikację składu mineralnego związków żelaza w glebie przeprowadza się na podstawie pomiarów temperaturowych zmian określonych parametrów magnetycznych, tj. podatności (χ) i izotermicznej remanencji nasycenia (SIRM). Do analizy związków żelaza obecnych w glebach wykorzystuje się temperatury wartości charakterystyczne temperatury przejść fazowych: temperaturę Curie (T C ) dla przejścia ferromagnetyk paramagnetyk, temperaturę przejścia Verveya i Morina oraz temperatury rozblokowujące pozostałość magnetyczną (SIRM) świadczące o obecności określonych minerałów magnetycznych. Celem pracy było wskazanie zmian parametrów magnetycznych i glebowych wraz ze wzrostem głębokości, które charakteryzują procesy zachodzące w czarnoziemie zdegradowanym uformowanym na miechowskim płacie lessowym. Metodyka Do realizacji celu niniejszej pracy pobrano jeden profil glebowy czarnoziemu, który został uformowany na miechowskim płacie lessowym, w miejscowości Kolosy, na Wyżynie Małopolskiej w Polsce. Profil KOL (skrót od miejsca pobrania Kolosy) jest czarnoziemem zdegradowanym (Uzarowicz, 211) z niewielkim mechanicznym przemieszczaniem iłu koloidalnego i żelaza do poziomu brunatnienia. Profil KOL był zlokalizowany na wierzchowinie o wieloletnim zadarnieniu. Lokalizację wybrano na podstawie wcześniej przeprowadzonych badań glebowych oraz na podstawie znajomości geomorfologii, warunków klimatycznych i przeszłości geologicznej obszaru. Czarnoziemy charakteryzują się dużą miąższością poziomu akumulacji próchnicy, a zawartość związków organicznych maleje w głąb profilu. Prawdopodobnie pod wpływem roślinności lasów liściastych czarnoziemy ulegały procesom brunatnienia (uruchamianie in situ związków żelaza) oraz przemywania (lessivage przemieszczanie iłu w głąb profilu), które doprowadziły do powstawania odpowiednio poziomów brunatnienia cambic (B br ) lub poziomu argic (B t ). Oba te procesy, nakładając się na wcześniejszy właściwy proces tworzenia czarnoziemów, przyczyniły się do powstania czarnoziemów zdegradowanych (zbrunatniałych lub wyługowanych). W czarnoziemach występujących 172 S.K. Dytłow, B. Górka-Kostrubiec

4 w miejscach wyżej położonych (tak jak badany w profil KOL) następuje często wymywanie związków zasadowych, głównie węglanów, do poziomu iluwialno-węglanowego. W ten sposób formują się czarnoziemy zdegradowane, których cechą charakterystyczną jest dwudzielność poziomu próchniczego: właściwy, ciemny poziom próchniczny mollic A i podpoziom anthropic A p z mniejszą zawartością materii organicznej i wynikającą z tego jaśniejszą barwą. W zdegradowanych czarnoziemach występują poziomy cambic, argilic (argic), agric świadczące o dominacji innych procesów glebotwórczych (Żyła, 27). Poniżej poziomu A zaznacza się obecność poziomu B br i zaleganie węglanów nie głębiej niż 9 cm. Czarnoziemy zdegradowane cechują się odczynem słabo kwaśnym (ph 5,5 6,4). Zawartość próchnicy waha się od 2 do 2,5% (Bednarek i Prusinkiewicz, 1999). Profil KOL należy do gleb o dużej zawartości substancji organicznej i powstał na terenie pokrytym pierwotnie roślinnością łąkowo-stepową. Skałą macierzystą, na której formował się czarnoziem, był less. Profil KOL składa się z następujących poziomów genetycznych: A p ( 1 cm) poziom próchniczny darniowy; pył o strukturze gruzełkowej średniej i barwie bardzo ciemnoszaro-brązowej 1YR3/2; A (1 6 cm) poziom próchniczny; pył gruby o strukturze gruzełkowej drobnej i barwie bardzo ciemnoszaro-brązowej 1YR3/2; AB br (B t ) (6 8 cm) poziom przejściowy podpróchniczny z cechami brunatnienia i iluwiacji; pył ilasty o strukturze gruzełkowej drobnej i bardzo drobnej i barwie bardzo ciemnoszaro-brązowej 1YR3/2, poziom wzbogacony we frakcję ilastą; B br C (8 12 cm) poziom przejściowy brunatnienia i skały macierzystej; pył ilasty o strukturze gruzełkowej od bardzo drobnej do średniej i barwie ciemnobrązowej 1YR3/3; C Ca (>12 cm) skała macierzysta; less o strukturze gruzełkowej od bardzo drobnej do średniej i barwie jasnobrązowej 1YR6/3, poziom zawiera węglan wapnia. Próbki do badań pobrano z pionowego profilu sięgającego do głębokości 15 cm (poziom skały macierzystej), co około 1 cm, następnie glebę suszono do stanu powietrzno-suchego i przesiano. Dla pomiaru podatności magnetycznej glebę umieszczono w sześciennych plastikowych pudełkach o objętości 1 cm 3. Dla pomiaru parametrów histerezy wykonano dodatkowe próbki. W tym celu glebę zmieszano z wodą i uformowano cylindryczne próbki o średnicy 5 mm i wysokości 1 mm. Dla każdej próbki wyznaczono następujące parametry magnetyczne i glebowe: podatność magnetyczną, bezhisterezową remanencję i podatność magnetyczną, parametry pętli histerezy magnetycznej, parametry termicznego rozmagnesowania oraz zmian podatności objętościowej z temperaturą, przybliżoną zawartość substancji organicznej, zawartość węglanu wapnia i odczyn gleby. Podatność magnetyczną na jednostkę masy (χ) przy użyciu mostka MFK1- -FA Multi-Function Kappabridge firmy Agico. Podatność magnetyczną mierzono w dwóch częstotliwościach pola magnetycznego ( 99 i 15 Hz), co pozwoliło Parametry magnetyczne jako wskaźnik procesów

5 na wyznaczenie parametru (χ fd% ) zgodnie LF HF ze wzorem %. LF Bezhisterezową remanencję magnetyczną (ARM) wyznaczono przy użyciu magnetometru SQUID firmy 2G Enterprises po wcześniejszym nałożeniu na próbkę pola zmiennego o malejącym natężeniu od mt do T i jednoczesnym działaniu pola stałego o natężeniu μt. Bezhisterezową podatność magnetyczną (χ ARM ) otrzymano poprzez podzielenie ARM przez wartość stałego pola magnetycznego. Parametry pętli histerezy magnetycznej (M rs remanencję nasycenia, M s namagnesowanie nasycenia, H c pole koercji, H cr koercja remanencji) wyznaczono przy użyciu magnetometru wibracyjnego VSM firmy Molspin. Pomiary krzywych termicznego rozmagnesowania SIRM(T) wyznaczono przy użyciu urządzenia firmy TUS Electronics. Przed pomiarem każdą próbkę namagnesowano w polu magnetycznym o natężeniu 9 T wystarczającym do nasycenia minerałów twardych magnetycznie. Zmiany podatności objętościowej z temperaturą κ(t) wyznaczono, wykorzystując mostek podatności magnetycznej KLY-3S z przystawką temperaturową. Pomiary κ wykonano podczas grzania, a następnie chłodzenia próbki w zakresie od 2 do 7 C. Przybliżoną zawartość procentową substancji organicznej oznaczono na podstawie strat prażenia (ang. loss on ignition) LOI. Podczas prażenia substancji w 5 55 C dochodzi do utleniania się substancji organicznej do dwutlenku węgla. Zatem podczas prażenia dochodzi do straty wagi proporcjonalnej do zawartości substancji organicznej w próbce. Metoda ta w porównaniu z metodą Tiurina jest mniej uniwersalna i pozwala na orientacyjne określenie zawartości materii organicznej. Wyniki uzyskane metodą strat prażenia zazwyczaj są wyższe niż w metodzie Tiurina. Spowodowane jest to stratami masy wywołanymi spalaniem zarówno substancji organicznej, jak i przemianami w części mineralnej gleby, m.in. dehydroksylacją minerałów ilastych (Myślińska, 21). Zawartość węglanu wapnia została oznaczona metodą Scheiblera. Polega ona na oznaczeniu objętości dwutlenku węgla, jaki powstaje w wyniku reakcji węglanu wapnia zawartego w próbce gleby z 1-procentowym kwasem solnym. Pomiary ph wykonano metodą elektrometryczną przy użyciu miernika cyfrowego ph/mv (Redox) Greisinger GPHR 14. Próbki przygotowano zgodnie z instrukcją Heada (1992), tj. glebę przesiewano przez sito o średnicy oczek 2 mm, odważono stałą masę próbki, a następnie zalewano wodą destylowaną. Pomiar odczynu gleby wykonywano po 24 godzinach. Wyniki i dyskusja Rysunek 1 przedstawia zmiany parametrów magnetycznych (χ i χ ARM ) wraz ze wzorem głębokości. Dodatkowo na wykresach zaznaczono poziomy genetyczne. Podatność magnetyczna jest parametrem proporcjonalnym do koncentracji magnetycznych minerałów zawartych w glebie. Największe wartości podatności są obserwowane w wierzchnich warstwach gleby: m 3 kg 1. Podatność maleje wraz ze wzorem głębokości i najmniejszą wartość osią- 174 S.K. Dytłow, B. Górka-Kostrubiec

6 (a) χ 1-8 [m 3 kg -1 ] χ ARM 1-8 [m 3 kg -1 ] A p 2 4 A Depth [cm] 6 8 AB br (B t ) B br C C Ca RYSUNEK 1. Zmiany parametrów magnetycznych z głębokością dla profilu KOL: (a) podatność magnetyczna χ, bezhisterezowa podatność magnetyczna χ ARM FIGURE 1. Vertical distribution of magnetic parameters: (a) magnetic susceptibility χ, and anhysteretic magnetic susceptibility χ ARM of the profile KOL ga dla poziomu skały macierzystej: m 3 kg 1. Warstwa próchnicza charakteryzuje się największą dynamiką procesów biochemicznych, co wpływa bezpośrednio na produkcję silne magnetycznych tlenków żelaza. Proces ten odzwierciedla silną podatność magnetyczna w poziomie A. Malejące wartości podatności magnetycznej poniżej poziomu próchniczego A są związane z występowaniem poziomów o charakterze iluwialnym:ab br (B t ) i B br C, o mniejszej koncentracji związków żelaza. Najsłabszą podatnością magnetyczną charakteryzuje się less, ubogi w silne magnetycznie związki żelaza, które stanowią w tym profilu skałę macierzystą. Bezhisterezowa podatność magnetyczna zmienia się w głąb profilu glebowego, podobnie jak podatność magnetyczna. Zmiany wartości χ ARM są proporcjonalne do koncentracji minerałów magnetycznych w glebie i równocześnie wskazują na zmiany udziału ziaren o strukturze jednodomenowej (SD) w głąb profilu. Normalizacja podatności magnetycznej do wartości minimalnej dla skały macierzystej informuje o wzbogaceniu magnetycznym w głąb profilu. Wzbogacenie gleby w frakcję magnetyczną jest proporcjonalne do ilości pedogenicznych tlenków żelaza (magnetytu i maghemitu) oraz do zawartości drobnych ziaren magnetycznych powstających w procesie pedogenezy. Dla badanego czarnoziemu największe wzbogacenie magnetyczne zaobserwowano w poziomach A i AB br (B t ), dla których zawartość materii organicznej jest największa. Z rysunku 2 widać, że górne poziomy profilu mają 4-krotnie większe wzbogacenie we frakcję magnetyczną w stosunku do lessu, na którym uformował się czarnoziem. Tak duże Parametry magnetyczne jako wskaźnik procesów

7 Depth [cm] / min 1-8 [m 3 /kg] RYSUNEK 2. Rozkład podatności magnetycznej znormalizowanej przez minimalną wartość dla skały macierzystej (less) FIGURE 2. Distribution of susceptibility normalized by minimum value related to parent rock (loess) wzbogacenie można tłumaczyć obecnością materii organicznej, która wspomaga procesy pedogenezy będące źródłem związków żelaza. Drugim wskaźnikiem zaawansowania procesów pedogenezy jest parametr χ fd%, którego wartość zależy od ilości ziaren SP powstających w procesie pedogenezy. Duże wartości χ fd% (1 12%) w poziomie próchniczym mollic A i przejściowym AB br (B t ) wskazują na zaawanasowane procesy pedogeniczne, które produkują około 75% ziaren SP. Parametr χ fd% zaczyna maleć w obrębie poziomu iluwialnego B br C, zatem obniża się aktywność procesów glebotwórczych generujących pedogeniczne ziarna magnetyczne SP. Małe wartości χ fd% (2 4%) obserwowane są dla skały macierzystej (lessu) od głębokości 11 cm (rys. 3). Identyfikacja składu mineralnego (rozpoznanie rodzaju minerałów magnetycznych) jest możliwa przy zastosowaniu metod termicznych wykorzystujących tzw. wartości charakterystyczne temperatury przemian fazowych: tem- 2 (a) χ 1-8 [m 3 kg -1 ] χ fd [%] 4 Depth [cm] F1 F RYSUNEK 3. Podatność magnetyczna w dwóch częstotliwościach f 1 = 99 Hz i f 2 = 15 Hz (a) i procentowa zależność podatność magnetycznej od częstotliwości pola χ fd% FIGURE 3. Magnetic susceptibility in two frequencies f 1 = 99 Hz and f 2 =15, Hz (a) and a frequency dependence of susceptibility χ fd% 176 S.K. Dytłow, B. Górka-Kostrubiec

8 peraturę Curie (T C ) i temperatury (T ub ) rozblokowujące SIRM. Dla profilu KOL wykonano pomiary krzywych termicznego rozmagnesowania SIRM(T) i krzywych κ(t). Na rysunku 4 przedstawiono krzywe zależności SIRM od temperatury dla próbki pobranej z poziomu A (głębokość 1 2 cm) (rys. 4a) i z poziomu C Ca (głębokość cm) (rys. 4b). Z rysunku 4a widać, że SIRM ulega całkowitemu rozmagnesowaniu termicznemu w temperaturze powyżej 6 C, co wskazuje na obecność w próbce maghemitu. Dla próbki z poziomu C Ca krzywa SIRM wykazuje całkowite rozmagnesowanie w wyższej temperaturze około 68 C, która odpowiada temperaturze rozblokowującej dla twardego magnetycznie hematytu. Pomiar zależności podatności magnetycznej od temperatury κ(t) (rys. 5a, 5b) wskazuje, że w próbce z poziomu A przemiana fazowa ferromagnetyk paramagnetyk zaszła w temperaturze Curie równej około 58 C. Świadczy to o obecności w próbce miękkiego magnetycznie magnetytu, który powstał w wyniku przemiany chemicznej. Należy podkreślić, że pomiary termomagnetyczne SIRM(T) i κ(t) wymagają potwierdzenia poprzez wyznaczenie dodatkowych parametrów potwierdzających rodzaj minerałów magnetycznych, np. parametry histerezy. Interpretacja tylko rysunku 5 nie daje nam pełnej informacji o rodzaju minerałów magnetycznych zawartych w próbce. Punkt Curie magnetytu nie zawsze wskazuje, że w próbce przed grzaniem obecny jest magnetyt. Warunki eksperymentu często powodują redukcję hematytu i pojawienie się magnetytu, którego pierwotnie nie było w próbce (Jeleńska i inni, 28a, 28b). Spadek κ pomiędzy 25 a 4 C można interpretować jako przekształcenie maghemitu w hematyt albo zmianę wielkości ziaren (Jeleńska i inni, 28a). Pik powyżej 5 C może być wynikiem powstania nowego magnetytu lub jest to efekt Hopkinsona. Podczas chłodzenia odwrotna przemiana fazowa zaszła w temperaturze Curie równej około 58 C. Krzywe chłodzenia mają (a) PROFILE KOL DEPTH 1-2 cm 1 PROFILE KOL DEPTH cm SIRM [au] SIRM [au] T [ C] T [ C] RYSUNEK 4. Krzywe rozmagnesowania termicznego SIRM dla profilu KOL: (a) próbka z poziomu A, próbka z poziomu C Ca (skała macierzysta) FIGURE 4. Thermal demagnetization of saturation isothermal remanence (SIRM) for KOL samples: (a) sample from horizon A, sample from horizon C Ca (parent rock) Parametry magnetyczne jako wskaźnik procesów

9 Próbka KOL - 4 heating cooling Próbka KOL- 15 heating cooling κ 1-6 SI 5 κ 1-6 SI 5 (a) T [ C] T [ C] RYSUNEK 5. Zależność podatności magnetycznej od temperatury dla profilu KOL: (a) próbka z poziomu A, próbka z poziomu C Ca (skała macierzysta) FIGURE 5. Dependence of the magnetic susceptibility of the temperature for KOL samples: (a) sample from horizon A, sample from horizon C Ca (parent rock) podobny przebieg dla próbki z poziomu mollic (rys. 5a) i skały macierzystej (rys. 5b). Przebieg krzywej grzania dla próbki z poziomu A świadczy o przemianach chemicznych zachodzących podczas grzania, w próbce pobranej ze skały macierzystej natomiast takich przemian nie stwierdzono. Na rysunku 6 przedstawiono parametry pętli histerezy magnetycznej (magnetyzację nasycenia, remanencję nasycenia, pole koercji, koercję remanencji) w zależności od głębokości. Zmiany parametrów histerezy magnetycznej wraz ze wzrostem głębokości pokazują, że dominującym minerałem magnetycznym w poziomie próchniczym A i AB br (B t ) jest magnetyt/maghemit o małych wartościach pola koercji H c ~ 6 mt (rys. 6c) i dużych wartościach M s i M rs (rys. 6a, 6b). W poziomie B br C rośnie udział ziaren o słabym namagnesowaniu i silnej koercji twardego magnetycznie hematytu. Dla próbek z poziomu skały macierzystej pole koercji (H c ) stabilizuje się do wartości około 1 mt, wartości M s i M rs natomiast maleją. W pracach z zakresu magnetyzmu środowiska wyznacza się jest kilka parametrów oraz ich wzajemne korelacje. Do analizy zmian koncentracji frakcji magnetycznej oraz identyfikacji rodzaju ziaren magnetycznych wzdłuż profilu wyznacza się stosunek χ ARM do χ. Jak wspomniano wcześniej parametry χ i χ ARM są zależne od koncentracji minerałów magnetycznych. Rysunek 7 przedstawia zależność między χ i χ ARM dla profilu KOL. Dane można aproksymować linią prostą. Wskazuje to, że koncentracja pedogenicznych tlenków żelaza maleje wraz ze wzrostem głębokości. Dodatkowo wiadomo, że parametr χ ARM jest czuły na obecność ziaren SD, a parametr χ ziaren SP. Zatem stosunek χ ARM do χ jest wskaźnikiem zmian udziału tych ziaren w profilu glebowym. Zmiana nachylenia linii prostej będzie wskazywać na dominację udziału jednego z typów ziaren magnetycznych (SP lub SD). Dla profilu KOL stosunek χ ARM do χ jest stały z głębokością, zatem spadek udziału ziaren superparamagnetycznych (SP) 178 S.K. Dytłow, B. Górka-Kostrubiec

10 (a) (c) Depth [cm] 6 8 Depth [cm] 6 8 Depth [cm] Ms Mrs Hc (d) 2 4 Depth [cm] Hcr RYSUNEK 6. Zależność parametrów histerezy od głębokości: (a) namagnesowanie nasycenia M s, remanencja nasycenia M rs, (c) pole koercji H c, (d) koercja remanencji H cr FIGURE 6. Dependence of hysteresis parameters versus depth: (a) saturation magnetization M s, saturation remanence M rs, (c) coercivity H c, (d) remanent coercivity H cr 4 χ ARM 1-8 [m 3 kg -1 ] χ 1-8 [m 3 kg -1 ] RYSUNEK 7. Zależność między podatnością magnetyczną χ i bezhisterezową podatnością magnetyczną χ ARM FIGURE 7. Relationship between magnetic susceptibility χ and anhystretic susceptibility χ ARM Parametry magnetyczne jako wskaźnik procesów

11 ph 5,5 6, 6,5 7, 2 4 LOI [%] CaCO 3 [%] A p A DEPTH [cm] AB br (B t ) B br C 14 (a) 16 RYSUNEK 8. Zmiany parametrów glebowych z głębokością dla profilu KOL: (a) odczyn gleby ph, przybliżona zawartość materii organicznej LOI, (c) zawartość węglanów CaCO 3 FIGURE 8. Changes of soil parameters with depth for the profile KOL: (a) soil reactivity ph, approximation content of organic matter LOI, (c) content of carbonates CaCO 3 (c) C Ca następuje wraz z obniżeniem się zawartości ziaren jednodomenowych (SD). Rysunek 8 przedstawia zmiany parametrów glebowych (ph, LOI, CaCO 3 ) dla czarnoziemu w profilu KOL. Profil KOL cechuje się lekko kwaśnym odczynem (ph około 5,5) dla poziomów A i AB br (B t ). Dla poziomu B br C ph zmienia się w niewielkim zakresie (5,5 6), a następnie rośnie do około 7 w poziomie C Ca. Wartość LOI (proporcjonalna do zawartości materii organicznej) zmienia się w zakresie od 3,5 do 1%. Duża wartość LOI występuje w poziomie A. Zawartość materii organicznej w profilu KOL jest typowa dla czarnoziemów: najbardziej zasobny w organikę jest poziom przypowierzchniowy mollic. Zawartość węglanów waha się od % dla poziomów powyżej skały macierzystej do 4,5% w skale macierzystej. Z rysunku 8c widać, że górna część profilu została całkowicie pozbawiona węglanów. Wystąpienie węglanów na głębokościach poniżej 12 cm w profilu KOL świadczy o silnej degradacji tych czarnoziemów. Rysunek 9 przedstawia zależność między przybliżoną zawartością materii organicznej i podatnością magnetyczną. Z wykresu widać, że maksymalne wartość χ i LOI zaobserwowano w próbce z poziomu A p. W próbkach z poziomu A zarówno LOI, jak i podatność magnetyczna nie zmieniają się, w poziomach B br C i C Ca natomiast LOI maleje wraz z podatnością. Wnioski 1. Rezultaty wskazują, że w badanym czarnoziemie zdegradowanym poziom mollic A i poziom przejściowy podpróchniczy z cechami brunatnienia i iluwiacji AB br (B t ) mają podobne wartości parametrów magnetycznych χ, χ ARM i χ fd%. Wska- 18 S.K. Dytłow, B. Górka-Kostrubiec

12 1 8 LOI [%] χ 1-8 [m 3 kg -1 ] RYSUNEK 9. Zależność między podatnością magnetyczną χ i przybliżoną zawartością materii organicznej LOI FIGURE 9. Relationship between magnetic susceptibility χ and approximation content of organic matter LOI zuje to, że w obu poziomach koncentracja magnetycznych minerałów jest taka sama oraz, że procesy glebotwórcze generują dużą koncentrację ziaren superparamagnetycznych (około 75%). W obu poziomach stosunek ilości ziaren superparamagnetycznych (SP) do ziaren jednodomenowych (SD) jest stały. Poziomy A i AB br (B t ) są wzbogacone w silnie magnetycznie tlenki żelaza (maghemit) o małych wartościach koercji magnetycznej. W poziomie przejściowym brunatnienia i skały macierzystej B br C następuje szybki spadek wzbogacenia magnetycznego i zaczyna dominować twarda magnetycznie frakcja hematyt. Skała macierzysta (badany płat lessów z okolic Miechowa) zawiera hematyt o słabym namagnesowaniu i silnej koercji magnetycznej. Procesy glebotwórcze w lessie generują bardzo małą koncentrację ziaren superparamagnetycznych SP (około 1%). Literatura Bednarek, R. i Prusinkiewicz, Z. (1999). Geografi a gleb. Warszawa: Wydawnictwa Naukowe PWN. Cornell, R.M. i Schwertmann, U. (23). The iron oxides. Structures, Properties, Reactions, Occurrences and Uses. Weinheim: Wiley- -VCH Verlag. Evans, M.E. i Heller, F. (23). Environmental Magnetism: Principles and Applications of Enviromagnetics. San Diego: Elsevier Science, Academic Press. Fanning, D.S. i Fanning, M.C.H. (1989). Soil: morphology, genesis and classifi cation. New York: Johny Wiley & Sons. Górka-Kostrubiec, B., Król, E. i Jeleńska, M. (212). Magnetic measurements of polluted filters in relation to meteorological conditions Case study from Warsaw. Studia Geophysicae et Geodaetica, 56, Hanesch, M. i Scholger, R. (25). The influence of soil type on the magnetic susceptibility measured throughout soil profiles. Geophysical Journal International, 161, Head, K.H. (1992). Manual of Soil Laboratory Testing, v. 1: Soil Classifi cation and Compaction Tests. London: Pentech Press. Jeleńska, M., Hasso-Agopsowicz, A., Kądziałko- -Hofmokl, M., Kopcewicz, B., Bondar, K., Sukhorada, A. i Matviishina, Z. (28a). Ma- Parametry magnetyczne jako wskaźnik procesów

13 gnetic iron oxides occurring in chernozem soil from Ukraine and Poland as indicators of pedogenic processes. Studia Geophysica and Geodaetica, 52, Jeleńska, M., Hasso-Agopsowicz, A., Kądziałko- -Hofmokl, M., Kopcewicz, B., Sukhorada, A., Bondar, K. i Matviishina, Z. (28b). Magnetic structure of the polluted soil profiles from eastern Ukraine. Acta Geophysica, 56, Jeleńska, M., Hasso-Agopsowicz, A., Kopcewicz, B., Sukhorada, A., Tyamina, K., Kądziałko- Hofmokl, M. i Matviishina, Z. (24). Magnetic properties of the profiles of polluted and non-polluted soils. A case study from Ukraine. Geophysical Journal Intenational, 159, Jenny, H. (1941). Factors of soil formation. New York: McGraw Hill Book. Jordanova, D., Grygar, T., Jordanova, N. i Petrov, P. (211). Palaeoclimatic significance of hematite/goethite ratio in Bulgarian loess-palaeosol sediments deduced by DRS and rock magnetic measurements. W E. Petrovsky, E. Herrero-Bervera, T. Harinarayana i D. Ivers, The Earth s Magnetic Interior. International Association of Geomagnetism and Aeronomy Sopron, special volume 1. London: Springer Science+Business Media. Jordanova, D., Hus, J., Evlogiev, J. i Geeraerts, R. (28a). Palaeomagnetism of the loess/palaeosol sequence in Viatovo (NE Bulgaria) in the Danube basin. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 167, Jordanova, D., Jordanova, N., Petrov, P. i Tsacheva, T. (21). Soil development of three Chernozem-like profiles from North Bulgaria revealed by magnetic studies. Catena, 83, Jordanova, D., Petrovský, E., Jordanova, N., Evlogiev, J. i Butchvarova, V. (1997). Rockmagnetic properties of recent soils from North Eastern Bulgaria. Geophysical Journal International, 128, Jordanova, N., Jordanova, D. i Tsacheva, T. (28b). Application of magnetometry for delineation of anthropogenic pollution in areas covered by various soil types. Geoderma, 144, Liu, Q.S., Banerjee, S.K., Jackson, M.J., Maher, B.A., Pan, Y.X., Zhu, R.X.,... Chen, F.H. (24). Grain sizes of susceptibility and anhysteretic remanent magnetization carriers in Chinese loess/paleosol sequences. Journal of Geophysical Research, 14, doi:1.129/23jb2747. Liu, Q.S., Deng, C.H., Yu, J., Jackson, M., Banerjee, S. i Zhu, R. (25). Temperature dependence of magnetic susceptibility in an argon environment: implications for pedogenesis of Chinese loess/palaeosols. Geophysical Journal International, 161, Lu, S.G., Chen, D.J., Wang, S.Y. i Liu, Y.D. (212). Rock magnetism investigation of highly magnetic soil developed on calcareous rock in Yun-Gui Plateau, China: Evidence for pedogenic magnetic minerals. Journal of Applied Geophysics, 77, Magiera, T. i Zawadzki, J. (27). Using of highresolution topsoil magnetic screening for assessment of dust deposition: comparison of forest and arable soil datasets. Environmental Monitoring Assessment, 125, Magiera, T., Strzyszcz, Z. i Rachwał, M. (27). Mapping particulate pollution loads using soil magnetometry in urban forests in Upper Silesia Industrial Region, Poland. Forest Ecology and Management, 248, Magiera, T., Strzyszcz, Z., Kapička, A. i Petrovský, E. (26). Discimination of lithogenic and anthropogenic influences on topsoil magnetic susceptibility in Central Europe. Geoderma, 13, Maher, B.A. (1986). Characterization of soils by mineral magnetic measurements. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 42, Maher, B.A. (1998). Magnetic properties of modern soils and Quaternary loessic paleosols: paleoclimatic implications. Paleogeography, Paleoclimatology, Paleoecology, 137, Maher, B.A., Alekseev, A. i Alekseeva, T. (23). Magnetic mineralogy of soils across the Russian Steppe: climatic dependence of pedogenic magnetite formation. Paleogeography, Paleoclimatology, Paleoecology, 21, S.K. Dytłow, B. Górka-Kostrubiec

14 Maher, B. i Thompson, R. (1995). Palaeorainfall reconstructions from pedogenic magnetic susceptibility variations in the Chinese loess and paleosols. Quaternary Research, 44, Maher, B. i Thompson, R. (1999). Quaternary Climates. Cambridge: Cambridge University Press. Maher, B.A., Thompson, R. i Zhou, L.P. (1994). Spatial and temporal reconstructions of changes in the Asian palaeomonsoon: A new mineral magnetic approach. Earth and Planetary Science Letters, 125, Muxworthy, A.R., Schmidbauer, E. i Petersen, N. (22). Magnetic properties and Mössbauer spectra of urban atmospheric particulate matter: a case study from Munich, Germany. Geophysical Journal International, 15, Muxworthy, A.R., Matzka, J., Davila, A.F. i Petersen, N. (23). Magnetic signature of daily sampled urban atmospheric particles. Atmospheric Environment, 37, Myślińska, E. (21). Laboratoryjne badania gruntów. Warszawa: Wydawnictwa Naukowe PWN. Orgeira, M.J., Egli, R. i Compagnucci, R.H. (211). A Quantitative Model of Magnetic Enhancement in Loessic Soils. W E. Petrovsky, D. Ivers, T. Harinarayana i E. Herrero-Bervera, The Earth s Magnetic Interior. Dordrecht: Springer Netherlands. Petrovský, E., Zbořil, R., Grygar, T., Kotlík, B., Novák, J., Kapička, A. i Grison, H. (213). Magnetic particles in atmospheric particulate matter collected at sites with different level of air pollution. Studia Geophysica et Geodaetica, 57, Sagnotti, L., Macri, P., Egli, R.A. i Mondino, M. (26). Magnetic properties of atmospheric particulate matter from automatic air sampler stations in Latinum (Italy): Toward a definition of magnetic fingerprints for natural and anthropogenic PM1 sources. Journal of Geophysical Research, 111. B12S22-DOI: 1.129/26JB458. Thompson, R. i Maher, B.A. (1995). Age models, sediment fluxes and palaeoclimatic reconstructions for the Chinese loess and palaeosol sequences. Geophysical Journal International, 123, Thompson, R. i Oldfield, F. (1986). Environmental Magnetism. London: Allen and Unwin. Uzarowicz, Ł. (red.). (211). Systematyka gleb Polski, Roczniki Gleboznawcze. Warszawa: Wydawnictwa Naukowe PWN. Żyła, M. (28). Ewolucja gleb erodowanych w obszarach lessowych. Kraków: Uniwersytet Jagielloński. Streszczenie Parametry magnetyczne jako wskaźnik procesów zachodzących w czarnoziemie zdegradowanym uformowanym na miechowskim płacie lessowym. Praca miała na celu przedstawienie zmian parametrów magnetycznych i glebowych, które charakteryzują procesy zachodzące w czarnoziemie zdegradowanym uformowanym na płacie lessowym z okolic Miechowa. Do badań zastosowano magnetometrię glebową oraz metody pomiaru odczynu ph, strat po prażeniu i zawartości węglanów w glebie. W pracy wykorzystano parametry pętli histerezy oraz parametry zależne od temperatury: SIRM(T) i κ(t), do identyfikacji minerałów magnetycznych obecnych w profilu glebowym. Podatność magnetyczna oraz jej zależność od częstotliwości była użyta jako wskaźnik wzbogacenia poziomów glebowych w frakcję cząstek magnetycznych powstałych w procesie pedogenezy. Stwierdzono, że poziomy A i AB br (B t ) mają podobne wartości parametrów magnetycznych χ, χ ARM i χ fd%. Poziomy A i AB br (B t ) są wzbogacone w silnie magnetycznie tlenki żelaza (maghemit) o małych wartościach koercji magnetycznej. Skała macierzysta (badany płat lessów z okolic Miechowa) zawiera hematyt o słabym namagnesowaniu i silnej koercji magnetycznej. Duże wzbogacenie magnetyczne w poziomach A i AB br (B t ) jest związane z wysoką zawartością materii organicznej w górnych poziomach glebowych, dla których parametr strat przy prażeniu wskazywał na 8 1-procentowym udział materii organicznej. Parametry magnetyczne jako wskaźnik procesów

15 Summary Magnetic parameters as an indicator of the processes occurring in the degraded chernozem developed in loess from Miechow area. The aim of this paper is to present the changes in magnetic and soil parameters that characterize the processes occurring in the degraded chernozem formed in loess from Miechow area. The study used magnetic properties of soil and the method of measuring reactivity ph, loss on ignition and carbonate content in the soil. The A and AB br (B t ) horizons have similar values of the magnetic parameters: χ, χ ARM and χ fd%. Both horizons [A and AB br (B t )] are enriched in strongly magnetic iron oxides (maghemit) with low values of magnetic coercivity. A parent rock (loess from the Miechow area) contains hematite with low magnetization and high magnetic coercivity. In the study the parameters of hysteresis loop and the temperature-dependent parameter: SIRM(T) and κ(t) were used to identify the magnetic minerals present in the soil profile. Magnetic susceptibility and its dependence on frequency were used to identify the enrichment of soil horizons in the fraction of magnetic particles formed during pedogenesis. Large magnetic enrichment in horizons A and AB br (B t ) is associated with a high content of organic matter in the upper levels of the soil, for which the parameter of loss on ignition point to 8 1% of the organic matter. Authors addresses: Sylwia K. Dytłow, Beata Górka-Kostrubiec Polska Akademia Nauk Instytut Geofizyki Zakład Magnetyzmu Warszawa, ul. Księcia Janusza 64 Poland skdytlow@igf.edu.pl kostrub@igf.edu.pl 184 S.K. Dytłow, B. Górka-Kostrubiec